轻型直流输电系统建模与仿真

论文总字数：18607字

目 录

摘要： 1

Abstract： 2

1、 绪论 3

2、 轻型高压直流输电的发展现状及应用前景 3

2.1 传统高压直流输电 3

2.2 轻型高压直流输电 5

2.2.1 HVDC系统的研究发展 5

2.2.2 HVDC系统的应用现状 6

3.轻型直流输电系统 7

3.1 轻型直流输电系统的简介 7

3.2 轻型直流输电系统的应用优势 11

4、 轻型直流输电系统的建模及分析 14

4.1 轻型直流输电系统模型 14

4.2 系统仿真设计 14

4.2.1 两端换流站部分 15

4.2.2 坐标变换部分 15

4.2.3 VSC-HDVC外环电流控制器的设计 16

4.2.4 VSC-HDVC内环电流控制器的设计 16

4.2.5 测量部分 18

4.2.6 PWM波形发生部分 18

4.3仿真结果分析： 19

5、总结 21

参考文献 23

致谢 24

轻型直流输电系统建模与仿真

苏仕玉 20121340022

，China

Abstract：In recent years, with the continuous construction of cities in the development, user requirement for power quality rising conventional transmission system gradually can not meet user requirements, the birth of light dc transmission technology to solve a series of technical problems Light DC transmission (HVDC Light) technology is one of the typical representative. It is a voltage source converter VSC (Voltage Sourced Converters) based HVDC technology. HVDC Light system for the mathematical model, select the appropriate control and protection of the system model simulation. In this paper, but also on the development and application of HVDC systems are put forward.

Key words：HVDC light; system model; simulation test

1. 绪论

电能是如今每个人生活中不可或缺的能源，随着城市的不断建设与发展，人们对电能的需求越来越大，同时对电能质量的要求也越来越高。传统高压直流输电采用只能控制导通不能控制关断的半控型元器件，导致了这些输电系统逐渐无法满足社会发展的需求。传统高压直流输电采用电流源换流器，这种换流器主要由半控型器件晶闸管组成。晶闸管只具有控制接通的并没有自关断的能力，在换相过程中， 需要从外部提供换相电压，并不能保证百分百换相成功。

为解决晶闸管局限性问题，美国ABB公司开发研制了轻型高压直流输电(HVDC Light)系统^[1]，该系统与传统高压输电的区别在于使用了电压源型换流器(VSC)，由绝缘栅双极晶体管(IGBT)开关功率。VSC可以向各种有源或无源网络输电,无需从外部提供电压进行换相^[2]。HVDC Light技术在电力输电系统中越来越多的被采用得力于全控型绝缘栅双极晶体管的研制成功，HVDC Light技术采用脉宽调制,与普通的直流输电系统相比突破点在于采用VSC。HVDC Light系统结构比较简单,可以方便的实现电流直流交流间的转换，在向城市中心供电、给无源负荷供电等方面发起到至关重要的作用^[3]。人们一直在讨论交流输电与直流输电哪个效益更高，他们各有利弊，在过去很长一段时间内电网一直采用交流输电。直到研发出新的电源模式，人们重又想起了直流输电这种输电模式。特别是需要远距离传输电能时，与交流输电相比直流输电系统具有很多技术上的优势。采用了VSC的HVDC Light系统是一种全新的输电系统，它既完整的保留了传统直流输电系统较交流输电系统的优势，还解决了传统直流输电系统远距离传输电能质量不高的问题。由于轻型直流输电系统无论从经济角度、安全角度、还是电能质量角度来看都远远优于常规直流输电系统，所以世界各地的学者都正在对该系统做各种研究。

1. 轻型高压直流输电的发展现状及应用前景

输电技术正在改革创新，轻型直流输电在这之中得到了发展，它在小型发电中得到了应用，同样在输电应用中得到广泛推广。轻型直流输电将经济应用功率减至几十兆瓦，这在高压直流输电中是一个很大的进步。这个系统之所以可以运行，是因为至少两个输电终端上，终端换流站与其相辅相成。我国的电网在不断建设，坚强智能电网也在顺势发展，清洁能源得到开发，利用范围逐渐提升。由于轻型直流输电系统各方面的巨大优势，这种全新的输电系统定会在我国电力传输事业上做出巨大贡献。因此，在广阔的应用前景下，开发轻型直流输电系统显得尤为重要，这也让研究变得更与现实意义。

2.1 传统高压直流输电

整流器、直流电缆、逆变器组成了直流输电系统。在电力发展的初步阶段，直流输电模式占重大比重，但是，因为电力电子元器件的局限性，直流输电的范围受到限制。高压直流输电技术的核心元器件一直是一个亟需解决的问题，在晶闹管的出现后，这个问题终于通过采用电流源换流器解决。高压直流输电技术在输电领域发展的开始，因为新的电力元件的出现，而新的半控型晶闹管引出了新的电力元件的出现，这些为多端直流输电、非同步联网等问题提供了解决依据。电流源换流器可以说是传统高压直流输电的一大突破，伴随着电流源换流器的诞生一系列技术问题迎刃而解，选择传统高压直流输电而不选择交流输电主要有以下原因：

（1）第一，高压交流输电一般是以三线制。第二，直流架空输电线路是以正负输电线传输，以成本考虑，减少了四分之一。

（2）分布电容在输电方面有一定影响。电压的分布往往由于直流输电的原因不受线路电容的影响，但是，在交流输电中，架空线路时，电压在输电线路中不稳一般是由于分布参数的存在。而当线路的距离到达一个特值的时候，线路一旦空载，容升现象就会出现，这时，就要用多出的并联电抗器来进行平衡。电容的作用在电缆线路中更加显著。电缆线路传输有功效率低下一般通过交流输电功率提供无功的形式展现，而出现这种现象的原因是电缆线路对地电容非常大。根据这种结果，海底电缆电路往往采取直流输电的方式，最典型的例子就是舟山直流输电工程。
（3）交流输电一般都会出现不稳定的问题，但是直流输电没有这种问题存在。交流输电进行时，假如输送功率无限接近静态，一旦有扰动的情况发生，两端的交流系统就可能会不同步，导致系统裂解。所以，自动重合闸装置显得尤为重要，它可以通过强行励磁来稳定系统。但是，并不是每一个系统都会出现不稳定的问题，比如直流输电就没有这问题存在，因为它的两端交流系统通过整流、逆变从而成为直流，他的两端交流频率也可以相异。
（4）不同交流系统直接的联系，可以通过直流系统来进行，最普遍的就是背靠背系统，换句话说，就是整流和逆变在一个换流站中集成，通过两端，来联系相异的交流系统。典型利用背靠背系统的例子就是日本中部往北和往南电网的相异，它们利用了两种相异频率系统。我国灵宝背靠背系统也是具有特点的。
（5）直流系统有其优势，主要在于响应速度快，短时故障切除能力强。原因是直流系统多数采用晶闸管等来调节功率，与机械开关相比，速度快，调节功率用时短。当直流系统和交流系统并联运行的时候，系统稳定性会明显加强。依据是直流系统的作用，它在很短的时间内通过加大传输功率来确定功率稳定。

晶闸管作为电力电子元器件在传统的高压直流输电得到广泛运用，它是一种只能控制其导通无法控制关断的半控型元器件，要想控制其关断就需要额外施加一个换相电源为其提供换相电压，而种操作有换相失败导致巨大损失的风险。因此，传统高压直流输电也有其局限性：

（1）只有在有源逆变的状态下可以进行工作，不可以接入无缘系统。 

（2）对交流系统的强度要求高，敏感性强，一经干扰就易失败。 

（3）无功消耗大。输出电流谐波含量高，消除谐波则要通过安装滤波装置来完成。就以上局限性而言，已经有很多种方法对其进行研究分析。有学者提出，减小谐振可以通过串联电容，以此连接交流系统来完成。在有缘网络存在于交流网络的前提下，可以通过电容换相，来降低无功功率损耗。而最重要的是，半控型晶闹管无法实现自关断。因为传统直流输电的局限性，我们应该提高全控性元器件的性能以及容量，有IGBT作为基础，轻型直流输电技术才得以传播。新大功率可关断器件的出现，输电方式的新形式也随之出现，可以实现多端直流、设计紧凑的这种形式作为一种新的输电途径来利用绿色新能源，轻型直流输电系统在未来会变的更加重要。

2.2 轻型高压直流输电

2.2.1 HVDC系统的研究发展^[4]

国外现状：

1997年对轻型直流输电系统来说是意义非凡的一年，瑞典的（Hellsjon）工程的成功，标志着轻型直流输电系统发展的开始。至今，全世界已经有多个HVDC Light工程成功相继投入运行，用以向世界各地输送高质量电能，其中最早建设的8条线路介绍意义最为重大下文一一介绍：

1)世界上第一个HVDC Light工程就是，该工程开创了基于电压源换流器直流输电系统的先河，对于输电技术发展有着重大的意义。这条输电线路用于连接格兰森堡和赫尔斯扬，完美完成了对电能质量的提升，降低了谐波。该线路为世界首个实验线路并没有投入商业运行。

2）第二条轻型直流输电线路建设于1999年瑞典，与Hellsjon工程不同的是，该线路是世界上第一条用于商业运行的线路。哥特兰岛是个风力资源极其丰富的地区，由于常规直流输电的局限性，风力发电总会出现电压和无功支撑的问题，无法充分开发当地能源，直到Hellsjon工程的成功，轻型直流输电系统解决了一些列技术难题。当年6月，Gotland HVDC Light工程成功投入运行。风能是世界上最清洁的能源，然而风能发电的电能质量是一个极大的技术问题，由此导致很多地区具有丰富的风能资源却无法充分开发，从环境保护的角度来讲该系统的成功运行同样具有着极大的意义。

3)第三条轻型直流输电系统同样是一条用于商业运行的线路，1999年11月，澳大利亚宣布其耗时两年建设的Directlink HVDC Light系统成功投入运行，略晚于瑞典的Gotland HVDC Light工程。不同的是，这是轻型直流输电系统首次将两个独立的电网联接起来，换流站分别位于新南威尔士和昆士兰州，该系统的成功标志着轻型直流输电系统的发展又一次向前迈出了一大步。

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